【文章內(nèi)容簡介】 6也決議將支持最終的IEEE 。TC204 WG16制定的CALM M5，主要規(guī)范車輛在快速移動時，車對車通訊、不斷線通訊與多媒體影音下載等應(yīng)用。WAVE設(shè)備分為兩類：RSU和OBU。RSU扮演AP （Access Point，接入點(diǎn)）的角色，一般固定安裝在路邊，并通過有線或者無線的方式與Internet連接。OBU屬于車載設(shè)備，用于安裝在車輛上。在有RSU的情況下，一個RSU和多個OBU組成WBSS（WAVE Basic Service Set）；在沒有RSU的情況下，OBU之間組成WIBSS（Wave Independent Basic Service Set），此時WIBSS屬于Adhoc網(wǎng)絡(luò)，且是移動的Adhoc。RSU和OBU利用WAVE協(xié)議棧通信從而完成應(yīng)用報文的交互。 WAVE系統(tǒng)運(yùn)作示意圖WAVE協(xié)議棧的特點(diǎn)在于：( 1 ) 針對交通安全應(yīng)用做特定的優(yōu)化：預(yù)留專門信道給公共安全相關(guān)應(yīng)用；( 2 ) WAVE設(shè)備間可以進(jìn)行通信，通信距離一般在1000米范圍內(nèi)，據(jù)國外研究人員實(shí)際測量，有效通信距離一般在300米；( 3 ) 數(shù)據(jù)速率高，可以達(dá)到3～27 Mbps；( 4 ) 能夠與傳統(tǒng)Internet輕松融合，其網(wǎng)絡(luò)層采用了IP協(xié)議。目前，基于WAVE的應(yīng)用可達(dá)到百余種，其類型主要有安全相關(guān)、公共服務(wù)相關(guān)、商業(yè)服務(wù)性質(zhì)的應(yīng)用。其中最重要的是安全相關(guān)的應(yīng)用，WAVE協(xié)議棧的制定為基于安全的應(yīng)用預(yù)留了專用信道。安全相關(guān)的應(yīng)用主要包括：車輛碰撞避免警告、前方道路狀況通告、天氣情況通告等；公共服務(wù)相關(guān)的應(yīng)用主要包括城市交通管理、智能導(dǎo)航系統(tǒng)、區(qū)域天氣情況搜集，車位查詢等；商業(yè)服務(wù)性質(zhì)的應(yīng)用主要包括訪問Internet、廣播廣告信息、提供加油站等企業(yè)服務(wù)設(shè)施的查詢等[89]。 本章小結(jié)本章對車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)的相關(guān)知識進(jìn)行了概述，主要包括車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)及其發(fā)展，接著對專用短程通信（DSRC）及IEEE ，為本課題提供了必要的理論依據(jù)。IntelliDrive的出現(xiàn)使得系統(tǒng)采集、處理、發(fā)送信息，并對車輛進(jìn)行合理控制成為可能。3 車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)的通信需求特征分析第3章 車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)的通信需求美國交通運(yùn)輸部對車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)提出的通信需求有[90]：( 1 ) 非常快的網(wǎng)絡(luò)接入時間；( 2 ) 低延時；( 3 ) 高可靠性和高實(shí)用性；( 4 ) 高安全性和隱私保護(hù)；( 5 ) 足夠的帶寬（至少48MHz，最好75MHz）；( 6 ) 在有限的范圍內(nèi)，使頻譜再利用和低干擾。提出的具體要求有：( 1 ) 要求延時在100ms以內(nèi)；( 2 ) 車車通信的數(shù)據(jù)包大小被限制在100Bytes以內(nèi)；( 3 ) 車路通信的數(shù)據(jù)包大小被限制在340Bytes以內(nèi)；( 4 ) 距離：短距離，典型值為50～500米。 通信在車路協(xié)同系統(tǒng)中的作用( 1 ) 實(shí)現(xiàn)車輛信息與道路信息的交互這是通信技術(shù)在車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)中最基本的作用，同時也是車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，有了這個環(huán)節(jié)，車輛與道路才能“協(xié)調(diào)”，才能算得上是一個整體。( 2 ) 實(shí)現(xiàn)對交通運(yùn)行狀況的預(yù)測“車與路”之間實(shí)時地交互信息，隨著信息的不斷變化，系統(tǒng)能通過相應(yīng)的方法分析道路中車流的特性，而且將車輛的路徑需要反饋給路邊單元，使得路邊單元能較準(zhǔn)確地預(yù)測下一時刻的車輛流以及此段道路中交通的運(yùn)行狀況。( 3 ) 在交通活動的過程中主動為交通參與者提供交通安全信息服務(wù)，擴(kuò)展交通參與者獲取信息的時空范圍。通信不僅能實(shí)現(xiàn)單輛車與路的信息交互，還能將臨近車輛的相關(guān)信息及時傳輸給駕駛者，使駕駛者能有足夠的時間和距離空間對道路信息做出正確的的判斷，避免因沒有時間做出相關(guān)反應(yīng)而導(dǎo)致的交通事故。( 4 ) 在適當(dāng)?shù)那闆r下，對駕駛員實(shí)施輔助駕駛，從而起到協(xié)調(diào)車輛、交通參與者、道路交通基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境等要素、提高安全水平和將車輛信息以及道路信息進(jìn)行采集、處理并反饋到交通行為決策的作用。RSU負(fù)責(zé)采集路面部分信息，并實(shí)行功能性計算，最終發(fā)布信息到各車載單元；OBU負(fù)責(zé)接受路面單元發(fā)送的信息，并輸出可辨識信息給駕駛員。 IntelliDrive環(huán)境下常用的無線通信技術(shù)在車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，車路和車車通信主要是通過短距離無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。低成本、低功耗和對等通信是短距離無線通信技術(shù)的三個重要特征和優(yōu)勢，目前，市場上使用的主流短距離無線通信技術(shù)有：紅外線（Infrared Data Association, IrDA）、藍(lán)牙（Bluetooth）、超寬頻（UWB）、微波（Microwave）、Zigbee、IEEE 。全球微波互聯(lián)接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX）常用于廣域車路通信，本文也對WiMAX的參數(shù)作了比較。 常見無線通信技術(shù)參數(shù)比較無線通信技術(shù)傳輸距離（典型值）速率（最大值）適用特性優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)IrDA1m16Mbps用于兩臺（非多臺）設(shè)備之間的連接體積小，簡單易用且實(shí)現(xiàn)成本較低；速率可達(dá)16Mbps。高耗能；只支持單向點(diǎn)對點(diǎn)控制；不適合傳輸障礙較多的地方。Bluetooth10m25Mbps主要應(yīng)用于電話、便攜式電腦、PDA和其它袖珍型設(shè)備的自動連接組網(wǎng)藍(lán)牙技術(shù)在物理層、鏈路層、業(yè)務(wù)層3個層次上提供安全措施，充分保證通信的保密性。條件較復(fù)雜的情況下，藍(lán)牙的通信距離大約為10米左右；功耗大，傳輸距離近。UWBa. 1～3 m,b. 3～10 m,主要用在軍事和民用兩個方面，如UWB 雷達(dá)、即時定位系統(tǒng)、地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感器等數(shù)據(jù)傳輸速率高； 保密性好，安全性高； 定位精確；無載波通信，功耗低，收發(fā)設(shè)備簡單。傳輸距離太短；與其他窄帶系統(tǒng)共用頻段，UWB 的瞬時功率大，容易影響到民航及現(xiàn)有的通信系統(tǒng)。Microwave10～50 m數(shù)十至數(shù)百KbpsETC（電子收費(fèi)）；可用于各種電信業(yè)務(wù)的傳送，如電話、電報、數(shù)據(jù)、傳真以及彩色電視等。頻帶寬、容量大、可以用于各種電信業(yè)務(wù)的傳送；具有良好的抗災(zāi)性能，對水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)以及地震等自然災(zāi)害，微波通信一般都不受影響。由于經(jīng)空中傳送，易受干擾，在同一微波電路上不能使用相同頻率于同一方向；由于微波直線傳播的特性，在電波波束方向上，不能有高樓阻擋。ZigBee10～75m250kbps用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。低速，20～250 kbps的較低速率；在10米的距離內(nèi)可達(dá)250kbps的傳輸速率，若將傳輸距離拉長至20米，則速度只剩30kbps；穿透性不好，障礙物厚度等嚴(yán)重影響通信距離。WiMAX108Mbps提供“最后一英里”的寬帶無線連接方案可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，出色的移動性、高吞吐率，傳輸距離長、涵蓋范圍廣、傳輸速率快，只要少數(shù)基站建設(shè)就能實(shí)現(xiàn)全城覆蓋，這樣就使得無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的范圍大大擴(kuò)展?？赡苄枰徺I額外的軟件或硬件；寬帶性能和結(jié)果受不同的環(huán)境因素和其它變量影響較大；WiMAX技術(shù)不能支持用戶在移動過程中的無縫切換。IEEE 10～100m54Mbps辦公室、家庭、賓館、機(jī)場無線接入。幾乎被限制在直線范圍內(nèi)使用，成本較高；信號容易被障礙物阻隔。IEEE 100～300m11Mbps適用于小型辦公環(huán)境和家庭網(wǎng)絡(luò)成本低；信號輻射較好，不容易被阻隔。帶寬速率較低；信號容易受到干擾。IEEE 100～300m56Mbps較高的網(wǎng)絡(luò)速率；信號質(zhì)量好，不容易被阻隔。；。IEEE 100～300m600Mbps用于高帶寬、高質(zhì)量的WLAN服務(wù)從實(shí)際使用和測試來看，在正常環(huán)境中大多數(shù)11n產(chǎn)品的傳輸速度都在百兆左右。處于一種“標(biāo)準(zhǔn)滯后、產(chǎn)品早產(chǎn)”的尷尬境地，客戶端可支持11n的設(shè)備少、價格高。IEEE 1m～1000m27Mbps高速移動的車車、車路通信，在MAC層和物理層上做出了一系列的規(guī)定和改進(jìn)，使其更適用于車載環(huán)境以及ITS應(yīng)用。MAC層和物理層仍有缺陷；于2010年11月頒布，目前市場占有率低。，根據(jù)美國交通運(yùn)輸部對車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)的通信需求，IrDA、Bluetooth、UWB、Microwave和ZigBee在傳輸距離上均不能滿足其應(yīng)用需求；IrDA只支持單向點(diǎn)對點(diǎn)控制，無法在車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)這樣復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行可靠的通信；ZigBee的傳輸速率太低，在距離增加的情況下，傳輸速率還將大幅度降低；WiMAX具有出色的移動性、高吞吐率，傳輸距離長、涵蓋范圍廣、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，理論上完全滿足車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)的通信需求，然而，使用WiMAX需購買額外的軟件或硬件在支出額外的費(fèi)用，且如果高速移動，WiMAX達(dá)不到無縫切換的要求；IEEE ，但I(xiàn)EEE ，目前已經(jīng)很難在市面上見到IEEE ，IEEE ，IEEE ，IEEE ，成本較高，使用多個信號，；IEEE 。從主動安全的延時要求方面分析。 主動安全的延時要求應(yīng)用范疇延時（sec）違反交通信號警告曲線超速警告應(yīng)急電子剎車燈碰撞預(yù)警追尾碰撞報警輔助左轉(zhuǎn)車道變換警告運(yùn)動停止標(biāo)志輔助 常用通信技術(shù)的延時，主動安全對延時的要求很高，最低要求為1sec。， GHz DSRC即采用IEEE 。IEEE ，獲得美國電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)與美國政府的支持[91]，從根本上而言是為車路協(xié)調(diào)通信服務(wù)的，滿足對車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)的通信需求主動安全對延時的要求。IEEE ，根據(jù)其官方描述，具有如下優(yōu)點(diǎn)：( 1 ) 低延時（100us～50ms）；( 2 ) 傳輸距離范圍1m～1000m；( 3 ) 支持近200km/h的高移動車輛。本文研究IntelliDrive環(huán)境下通信對交通系統(tǒng)的影響，因此下文無線通信技術(shù)將以IEEE ，選擇IEEE adhoc 模式作為對比，評估與比較IntelliDrive環(huán)境下IEEE 。 IEEE 體系結(jié)構(gòu) 體系結(jié)構(gòu)概述WAVE系統(tǒng)（又稱WAVE協(xié)議棧）是一個全新的架構(gòu)，其物理層和 ，、802 .11e的特點(diǎn)。WAVE作為“WAVE Mode”。WAVE協(xié)議棧以經(jīng)典的OSI七層模型為參考，同時分為了管理平面（Management Plane）和數(shù)據(jù)平面（Data Plane）。管理平面負(fù)責(zé)協(xié)議棧的參數(shù)以及行為控制，主要由WME(WAVE Management Entity)構(gòu)成；數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)傳輸有效數(shù)據(jù)信息，包括 WSMP(WAVE Short Message Protocol )、WAVE MAC以及WAVE PHY[56]。 WAVE協(xié)議棧WAVE系統(tǒng)包括IEEE 、IEEE 、IEEE 、IEEE 802 .11p。（MAC）規(guī)范，應(yīng)用層包括高速率的車輛之間以及車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間的資料數(shù)據(jù)交換。IEEE 1609的工作組基于 IEEE 。[92]。其中：: Resource ManagerWAVE資源管理，這個標(biāo)準(zhǔn)制定一個用于DSRC應(yīng)用與WAVE環(huán)境中的無限存取方式，允許遠(yuǎn)端應(yīng)用程式與車上裝置（OBU）或路邊裝置（RSU）之間的通訊，WAVE的資源管理扮演一個應(yīng)用層的角色，其通訊的目的是引導(dǎo)資訊交換。: Application ServicesWAVE應(yīng)用和管理消息的安全服務(wù)，此模塊定義在WAVE/DSRC系統(tǒng)中的安全信息封包格式及安全信息封包的處理方式。也定義WAVE 管理訊息與應(yīng)用用信息的加密方法，車輛引起的安全信息的例外處理，支援核心安全功能的必要管理功能。: Network ServicesWAVE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，此模塊對應(yīng)于OSI網(wǎng)絡(luò)模型的網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層，以便提供WAVE/DSRC的的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括地址和路由，保證了WAVE數(shù)據(jù)交換的安全，并且規(guī)定了MLME和WME實(shí)體的功能和原語[93]。: MAC Extension Services WAVE多信道操作，定義了一種MAC增強(qiáng)機(jī)制，提供多信道協(xié)作功能以使得只有一個接收天線的設(shè)備能夠充分利用物理層信道（CCH，SCH），同時能夠?yàn)楦邇?yōu)先級的報文提供實(shí)時的傳輸服務(wù)。管理平面共有三個實(shí)體：WME(WAVE Management Entity, WAVE管理實(shí)體)、MLME(Media Access Control Sublayer Management Entity，介質(zhì)訪問控制低層管理實(shí)體) 和PLME( Physical Layer Management Entity，物理層管理實(shí)體)，WME包含MIB（Management Information Base，管理信息庫）數(shù)據(jù)庫，其中存儲了WAVE所有相關(guān)參數(shù)，包括所注冊的應(yīng)用信息：如應(yīng)用優(yōu)先級、使用的信道編號、服務(wù)端口號等，MAC地址，所注冊的應(yīng)用狀態(tài)信息，此設(shè)備所支持的信道信息：如信道編號、數(shù)據(jù)速率、發(fā)送功率等；WME提供服務(wù)原語供上層應(yīng)用注冊、啟動應(yīng)用程序、以及應(yīng)用程序通告等功能，相當(dāng)于整個協(xié)議棧的主要配置接口。MLME負(fù)責(zé)MAC實(shí)體的管理配置，PLME負(fù)責(zé)對物理層參數(shù)進(jìn)行配置管理，向MLME提供服務(wù)[58]。 介質(zhì)訪問控制層和物理層IEEE 。 介質(zhì)訪問控制層（MAC）IEEE ，是去除IEEE MAC層所需要的典型的開銷，提供建立非常高效的通信連接。其核心是設(shè)計了一種特別的WAVE組網(wǎng)模式，以Ad hoc方式簡化BSS的操作，在WAVE中BSS（Basic Service Set，基本服務(wù)集）被優(yōu)化成WAVE BSS（WBSS），使得終端間無需握手協(xié)定，極短的通信建立時間能夠滿足車間通信環(huán)境中車輛間高速的相對移動等苛刻條件[94]。 在MAC層的改善可概括